3.4燃料电池的历史和发展
燃料电池的演化及发展探析
燃料电池的演化及发展探析
燃料电池是一种新型可再生能源，主要用于电动车、照明、电能发电和联合循环系统中使用的环保发电技术。
燃料电池的演化及发展可以分为三个阶段。
第一阶段，即从运动型燃料电池的发明开始，最初的燃料电池是用金属硫水溶液或有机酸作为电极材料，加使用氧化乙醇燃烧水分解而形成电能。
第二阶段，随着高功率燃料电池技术的发展，碳/水还原反应、液体氧化器等先进技术的出现，燃料电池性能及可靠性得以改善。
此外，由于材料的不同，也出现了以氢为燃料的燃料电池，以及以太阳能为燃料的太阳能燃料电池。
第三阶段，燃料电池的发展正在步入更高的水平，包括先进的控制和故障诊断系统、有效的防止内部漏电短路失控等技术。
此外，也有针对电动汽车、水泵和工业加热等应用场景而开发的特定燃料电池系统。
据以上所述，燃料电池演化及发展已经经历了三个不同的阶段。
它们的发展越来越多的应用场景，同时由于新技术的支持，使得它们的性能得到了显著提升。
“燃料电池电动汽车”教案讲义
燃料电池具有如下缺点：
价格高 目前质子交换膜燃料电池的价格虽然
已有所降低，但是要达到30－50美元/kW 的目标还需要一段时间的努力。
贵金属催化剂 铂的用量虽然已降低，但是距0.1-
0.2mg/ 还有段距离。 燃料的限制
目前车用的燃料电池主要是质子交换 膜燃料电池，它们只能用纯氢作燃料。
燃料电池分类
目前有上车历史的燃料电池主要为以下三 种：
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC） 磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel
Cell，PAFC） 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange
Membrane Fuel Cell, PEMFC)
AFC，PAFC，PEMFC三种 燃料电池的发展概况
燃料电池的发展趋势
燃料电池发展的第一课题是降低成本， 第二是选择材料，第三是提高性能。 降低成本主要是因为材料的价格很高。 车载用50kw系统仅氟高分子膜就要花费近 7400美元。另外， 在电池单元的电极中使用的白金催化剂也 是高成本的材料之一。50kw的系统中白金 催化剂就要花费将近5000美元。 燃料的选择：燃料采用氢后，重整器 部分的成本可以减免，系统得以简化。氢 的储存则采用储氢合金或者高压储气罐。
燃料电池
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂 中的化学能通过电极反应直接转化为电能 的发电装置。它平时将燃料（如氢气、甲 醇等）和氧化剂（如氧气）分别作为电池 两极的活性物质保存在电池的本体之外， 当使用时连续通入电池体内，使电池发电。 燃料电池本体由质子交换膜，膜电极， 集流板三部分组成。
燃料电池实质上是电化学反应发生器，它 的燃料主要是氢气。 反应机理是将燃料中 的化学能不经燃烧而直接转化为电能。电 化反应步骤为：经增湿后的氢气和氧气分 别进入阳极室和阴极室，经气体电极扩散 层扩散，到达催化层与质子交换膜的界面， 分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应。
燃料电池发展史
燃料电池发展史1. 燃料电池的发现1.1 早期实验•燃料电池的初步概念•燃料电池的原理探索1.2 第一个燃料电池•诺贝尔的开创性实验•第一个工作燃料电池的诞生2. 燃料电池的早期发展2.1 燃料电池类型的多样化•碱性燃料电池的出现•酸性燃料电池的研究进展•质子交换膜燃料电池的发展2.2 应用领域的扩展•航天领域中的燃料电池应用•陆地交通工具上的燃料电池引入•燃料电池在储能领域的应用3. 燃料电池的商业化进程3.1 商用燃料电池的挑战•成本与效率的平衡问题•氢气供应与储存的挑战•安全性问题与监管要求3.2 燃料电池汽车的推广•燃料电池汽车的技术突破•政府政策的支持与推动•燃料电池汽车市场的发展与竞争4. 燃料电池的未来展望4.1 研究方向与技术突破•更高效的燃料电池材料与结构•储氢技术的突破与创新•燃料电池堆与系统的优化4.2 燃料电池的应用前景•燃料电池在电力行业中的作用•燃料电池在建筑领域的应用前景•燃料电池的环境效益与可持续发展潜力总结：燃料电池作为一种清洁高效的能源转化装置，经历了从发现到商业化的漫长历程。
早期实验为燃料电池的发展奠定了基础，随后的研究推动了燃料电池类型的多样化和应用领域的扩展。
然而，商业化过程中仍然面临诸多挑战，包括成本、供氢与储氢、安全性等问题。
然而，燃料电池汽车的推广为燃料电池的商业化进程注入了新的活力。
展望未来，燃料电池的研究仍然有许多方向可以探索，应用领域的前景也十分广阔。
燃料电池在电力、建筑等领域的应用将为我们的社会带来巨大的环境效益和可持续发展潜力。
燃料电池简介
H2 2H++2e
阴极：
1/2O2+2H++2e
H2O
燃料电池的分类
目前，燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展：
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解液
磷酸盐型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）
总结
燃料电池的出现与发展，将会给便携式电子设备带来一场 深刻的革命，并且还会波及到汽车业，住宅，以及社会各 方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供 电带进一种分散供电的新时代。
燃料电池供电，没有二氧化碳的排放，可减轻温室效应使 全球气候变暖问题，解决了火力发电使全球环境污染的问 题，是一个纯正的绿色清洁能源。所以，我们要加速实现 燃料电池的商品化进程，中国人应该在这场能源革命中有 所作为，跟上全球技术发展的步伐。
DMFC：直接甲醇燃料电池； MCFC：熔融碳酸盐型燃料电池； PAFC：磷酸盐型燃料电池
资料来源：Fuel Cell Today
燃料电池的发展现状
全球燃料电池生产数量的区域分布
资料来源：Fuel Cell Today
最新科技
------美国空军学院研究无人机用氢燃料电池技术
我国研究开发进展
我国2类碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统通过了航天环境模拟试验。 国家已将质子交换膜燃料电池列为重点攻关项目，以大连化学物理所 为牵头单位，在国内全面开展了质子交换膜燃料电池的材料和电池系 统的研究，并组装了多台各种功率（1kw~25kw）的电池组和电池系
采用200℃高温下的磷酸作为其电解质
熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）
燃料电池的发展历程
燃料电池的发展历程燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的装置。
它的发展历程可以追溯到19世纪初，但直到最近几十年间，燃料电池才开始引起人们的广泛关注和研究。
燃料电池的发展历程可以分为四个阶段：早期研究、实验室研究、商业化应用和未来发展。
在早期研究阶段，燃料电池只是一种理论上的概念，科学家们开始研究如何将化学能转化为电能。
1839年，德国科学家威廉·罗伯特·格罗夫首次提出了燃料电池的概念，并成功实现了将氢气和氧气通过电化学反应产生电能的原理。
然而，在当时的技术条件下，燃料电池的效率非常低，且成本高昂，无法实际应用。
随着科学技术的不断进步，燃料电池进入了实验室研究阶段。
20世纪60年代，燃料电池的研究重点逐渐从理论转向实验。
科学家们开始尝试使用不同的材料和催化剂来改善燃料电池的效率和稳定性。
在这一阶段，研究人员提出了多种不同类型的燃料电池，如质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）等。
这些不同类型的燃料电池具有各自的特点和应用领域，为燃料电池的商业化应用打下了基础。
商业化应用是燃料电池发展的一个重要阶段。
随着对清洁能源需求的增加，燃料电池作为一种高效、环保的能源转换装置受到了广泛关注。
燃料电池开始被应用于一些特定领域，如航空航天、交通运输和能源供应等。
1994年，美国国家航空航天局（NASA）成功地将燃料电池用于航天器的能源供应，这标志着燃料电池的商业化应用的开始。
随后，燃料电池逐渐被应用于汽车、家庭能源等领域，取得了显著的进展。
然而，由于成本高昂、储氢和储氧困难等问题，燃料电池的商业化应用仍面临一定的挑战。
未来，燃料电池的发展方向主要集中在提高效率、降低成本和解决储氢问题。
科学家们正在研究新的材料和催化剂，以提高燃料电池的能量转化效率。
同时，他们也在探索更廉价的材料和制造工艺，以降低燃料电池的成本。
此外，研究人员还在寻找新的氢气储存材料和技术，以解决储氢问题。
氢燃料电池技术路线
氢燃料电池技术路线1. 介绍氢燃料电池是一种能够将氢气和氧气反应产生电能的装置。
它是一种清洁、高效的能源转换技术，被广泛认为是未来能源领域的重要发展方向之一。
本文将对氢燃料电池技术的发展历程及未来路线进行探讨。
2. 氢燃料电池的发展历程2.1 第一代燃料电池技术（1960s - 1980s）•首次实现了将氢气和氧气反应产生电能的原理。
•采用贵金属催化剂（如铂）作为电极材料，存在成本高、供给稀缺等问题。
2.2 第二代燃料电池技术（1990s - 现在）•开发了新型催化剂（如铂合金、非贵金属材料）以降低成本，并提高电池的性能和寿命。
•引入了新的膜电解质材料（如聚合物电解质），改进了电池的耐久性和抗污染性能。
•实现了燃料电池的商业化应用，例如汽车、移动电源等领域。
2.3 第三代燃料电池技术（未来展望）•研发更先进的催化剂和电解质材料，以进一步降低成本并提高电池的性能。
•提高电池的能量密度和功率密度，以满足不同应用场景的需求。
•探索新的氢气储存和供应技术，以解决氢燃料电池的可持续性问题。
3. 氢燃料电池技术路线3.1 硷性燃料电池（AFC）•使用氢气和氧气的水溶液作为电解质，催化剂使用铂。
•适用于电力站等大型应用，但存在催化剂易受污染、寿命短等问题。
3.2 聚合物电解质燃料电池（PEFC）•使用固体聚合物膜作为电解质，催化剂使用铂合金。
•具有高效能、低温运行等特点，适用于汽车和移动电源等应用。
3.3 氧气氧化物燃料电池（SOFC）•使用固体氧化物膜作为电解质，催化剂通常采用镍、钇稀土合金等。
•工作温度较高，具有较高的能量转化效率，适用于大功率应用场景。
3.4 直接甲醇燃料电池（DMFC）•直接利用甲醇作为燃料，无需先制备氢气。
•适用于便携式电源等小功率应用，但甲醇的储存和供应仍然是挑战。
3.5 固态氧化物燃料电池（SOEFC）•类似于SOFC，但是可以在燃烧反应中生成合成气（如一氧化碳和氢气）。
•可以实现电力和气体的共生生产，具有较高的能源转化效率。
燃料电池发展的历史 -回复
燃料电池发展的历史-回复燃料电池技术是一项能够将化学能转化为电能的技术，它具有高效、环保、可持续等诸多优势，因此在能源领域备受关注。
然而，燃料电池作为一种新兴技术，其发展历程并不平坦。
下面将通过一步一步回答的方式，来探讨燃料电池发展的历史。
第一步：燃料电池的起源燃料电池的概念最早可以追溯到19世纪。
1801年，英国化学家亨利·沃尔顿发明了一种名为“沃尔顿桥”的电池，将无水硫酸氢与铜形成的电池，可以将化学能转化为电能。
这被认为是燃料电池技术的起点。
第二步：发展早期的燃料电池从19世纪后期到20世纪初期，燃料电池技术呈现出了迅猛的发展势头。
在这一时期，燃料电池主要用作电动车辆的动力源。
1902年，法国工程师卡米尔·阿尔法恩提出了使用燃料电池驱动车辆的构想，并在1904年展示了第一辆使用燃料电池的电动车。
随后，燃料电池的研究工作逐渐扩大，并引起了世界各地科学家的兴趣。
第三步：第二次世界大战后的进展第二次世界大战后，对替代能源的需求增加，加速了燃料电池技术的研究和发展。
1949年，美国科学家威廉·格罗夫斯发明了一种全氟磺酸聚合物膜电极，解决了燃料电池的关键问题之一。
这一突破促进了燃料电池技术的进一步发展。
1959年，格罗夫斯用这种膜制成了世界上第一台氟酸燃料电池。
第四步：发展过程中的挑战与突破燃料电池技术在发展过程中面临着许多挑战。
其中最大的挑战之一是催化剂的选择和改进。
催化剂对于燃料电池的效率和性能有重要影响。
20世纪60年代，通过引入新的催化剂材料，如白金，燃料电池的效率得到了显著提高。
这使得燃料电池能够应用于一些特定的领域，如航空航天。
第五步：商业化与示范工程20世纪80年代，燃料电池技术进一步商业化，并开始应用于实际生产中。
1983年，美国首个燃料电池项目在佛罗里达州启动，用于给军用和商用车辆提供动力。
此后，各地相继启动了燃料电池示范工程，用于验证燃料电池技术的实用性和可行性。
(完整word版)燃料电池的应用与发展
燃料电池的应用与发展在今天这个经济高速发展的社会，资源问题成了大家关注的重点问题。
煤炭、石油量逐渐减少，人们迫切地寻求可替代资源来缓解能源危机。
燃料电池也开始为越来越多的人关注，对其的研究也在卓有成效的进行。
在中国，2008年奥运会，23辆燃料电池汽车示范运行7.6万公里。
到了2010年世博会，这个数字上升到196辆和91万公里。
燃料电池汽车是“十五”期间全国12个重大研究专项之一。
2012年3月两会期间，科技部电动汽车重大项目管理办公室副主任甄子健认为，燃料电池汽车在5到10年后，将可以像近两年的电动汽车一样，通过示范运行进入商业化销售阶段。
作为一种新技术燃料电池对于大家来说都还挺陌生，下面想来介绍一下加深大家的认识。
燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。
它是一种不经燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置。
1839年，英国的William Grove首次发现了水解过程逆反应的发电现象，燃料电池的概念从此开始。
100多年后，英国人Francis T．Bacon使燃料电池走出实验室，应用于人们的生产活动。
20世纪60年代，燃料电池成功应用于航天飞行器并逐步发展到地面应用。
今天，随着社会经济的飞速发展，随之而来的不仅是人类文明的进步，更有能源危机，生态恶化。
寻求高效、清洁的替代能源成为摆在全人类面前的重要课题。
继火力发电、原子能发电之后，燃料电池发电技术以其效率高、排放少、质量轻、无污染，燃料多样化等优点，正进一步引起世界各国的关注。
1.燃料电池的工作原理：燃料电池实际上是一个化学反应器，它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。
它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，也没有直接的燃烧过程。
燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。
它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。
燃料电池的工作不只靠电池本身，还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整。
应用电化学---第三章 化学电源
3．电流和反应速率 反应速率等于电流强度，可以直接从电流表 读出。电流的大小，就是充电或者放电速率 的大小。 由于电池存在内阻，当有电流流过时，电池 的放电电压下降，电极上的活性物质来不及 反应，使电池容量的下降。对于电池反应， 能承受的充、放电电流的大小反映了电池反 应的可逆性。为降低电极反映的极化、提高 电池所能承受的电流，电极一般做成多孔扩 散电极。
放电深度：电池放电量占其额定容量的百分 数。 理想的电池在整个放电过程中应该保持一个 恒定的工作电压，但大多数电池只有在较低 的放电深度时才保持平稳的工作电压。 放电深度大时电池能放出较多的容量，但考 虑到电池的工作性能，一般情况下电池放电 深度只为额定容量的20％一40％。
电池放电一段时间后搁臵时，开路电压会 上升。图3.2为电池连续放电和间隙放电时 的放电曲线。依图可见，间隙放电时的容 量要较连续放电时为大。特别当以大电流 放电时，间隙放电会使电池容量有较大的 提高。
给电池外加一负载并接通外电路时，外线 路中有电流通过，电池对外做电功，其工 作电压为：
Rp，RΩ分别是极化内阻和欧姆内阻，E，V 分别使电池电动势和电池工作电压
电池内阻R =Rp + RΩ ，
极化内阻是由于电化学极化和浓差极化而 引起的，所以极化内阻的大小与电极材料 的本质、电池的结构、制造工艺和工作电 流的大小等有关。为降低极化内阻，电极 一般做成多孔电极以提高电极的表面积， 并选择具有高交换电流密度的活性物质。
电池的负极一般选用较活泼的金属，而正 极一般选用金属氧化物，电极材料的选择 和评价原则前面已经介绍，后面还要针对 电池来具体讲授。表3.1列出了电池常用的 一些负极材料的性能。
添加剂：包括能提高电极导电性能的导电剂 (如金属粉和碳粉)、增加活性物质粘结力的 粘结剂(如聚四氟乙烯和聚乙烯)、延缓金属 电极腐蚀的缓蚀剂等。 集电器：由于活性物质通常是构成一种糊状 电极，需要用集电器来作为支持体，集电器 通常是一个金属栅板或导电的非金属棒(如碳 棒)，以提供电子传导的路线，集电器重量应 轻，化学稳定性应好。
燃料电池
可弹性设置/用途广。燃料电池的迷人之处在于其多样风貌。除了 前述的集中分散两相宜的特点外，它还具有缩放性。利用黄光微 影技术可制作微型化的燃料电池；利用模块式堆栈配置可将供电 量放大至所欲的输出功率。单一发电元所产生的电压约为0.7伏特， 刚好能点亮一只灯。将发电元予以串接，便构成燃料电池组，其 电压则增加为0.7伏特乘以串联的发电元个数。 燃料电池的劣势主要是价格和技术上存在一些瓶颈，摘列如下： 燃料电池造价偏高：车用PEMFC之成本中质子交换隔膜 (USD300/m2)约占成本之35%;铂触媒约占40%，二者均为贵重材料。 反应/启动性能：燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性 可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到，但提 高稳定性则必须避免副反应的发生。反应性与稳定性常是鱼与熊 掌不可兼得。 碳氢燃料无法直接利用：除甲醇外，其它的碳氢化合物燃料均需 经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后，方可供现今的 燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统之投资额。
对于大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率， 但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集 中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户 的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。 为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急， 这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能 量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还 会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转 换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%， 装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭 店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可 达80%，装置为积木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和火力发电 厂相比，非常灵活。
燃料电池的发展历程
燃料电池的发展历程燃料电池作为一种新型的能源转换装置，其发展历程可以追溯到19世纪。
以下是燃料电池的发展历程概述。
首次提出燃料电池概念的是英国化学家Sir William Grove，在1839年他发表了一篇名为《关于化学因素与电流相互引力关系的组合》的论文，提出了将氢气和氧气反应产生电流的概念。
20世纪初，德国的Walter Nernst在1900年提出了燃料电池的理论基础，并在1911年发明了固体氧化物燃料电池（SOFC）。
这是第一款成功应用的燃料电池，使用固态电解质将氢气和氧气分离，产生电能。
随着对燃料电池应用前景的认识逐渐加深，燃料电池的研究和应用得到了越来越多的关注。
20世纪60年代，美国国家航空航天局（NASA）开始研发燃料电池用于太空任务。
这种应用模式使燃料电池得到了一定的推广和发展。
在20世纪70年代和80年代，燃料电池实现了快速的技术进步。
鉴于能源危机和环境保护的需求，开始有更多的研究和投资涌入燃料电池领域。
诸如碱性燃料电池（AFC）、聚合物电解质燃料电池（PEFC）和磷酸燃料电池（PAFC）等各种类型的燃料电池相继问世。
随着21世纪的到来，燃料电池的研究重点逐渐转向了提高效能、降低成本，以及推广应用。
海外的汽车制造商和能源公司纷纷投入到燃料电池汽车技术的研发与实践，试图在交通领域实现零排放和氢能源的可持续利用。
近年来，燃料电池在可再生能源和混合动力领域得到了广泛应用。
特别是与太阳能和风能等可再生能源相结合，燃料电池能够实现能源的高效转换和储存。
同时，燃料电池作为可靠、高效的能源转换技术，也被视为未来能源领域的重要发展方向。
总结来说，燃料电池的发展历程经历了从理论研究到应用推广的过程。
在各个领域的持续研究和尝试下，燃料电池正逐渐走向成熟并扮演着越来越重要的角色，为可持续能源发展做出了重要贡献。
微生物燃料电池
DUT
02 基本原理
2.3 燃料电池的电极材料
MFC 的电极分为阳极和阴极， 其作为微生物和催化剂的 载体，以及电子转移的导体，须具有良好的导电性、稳定性， 一定的机械强度，廉价的成本以及电极表面与微生物具有良好 的相容性。
08
DUT
02 基本原理
2.3.2 阳极材料
微生物燃料电池系统的无介体产电菌群主要是异化金属还原菌，由 于这些菌与过渡态金属之间的亲和作用，研究人员开始使用过渡态金属 氧化物作为电极修饰剂，以促进微生物燃料电池系统产电能力的提升。 研究比较成熟的金属化合物主要有Fe3O4、MnO2、WC 等。
体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导
线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了
功率密度的高效输出。目前，研究报道无需外加介体的产电微生物主要有
Shewanella putrefacien、Geobacter sulferreducen、Geobacter
料。相比于离子交换膜,盐桥的内阻很大,造成MFCs的输出功率很低。
单室MFCs省去了阴极室,底物在阳极室被微生物催化氧化,电子由
阳极直接传递到阴极,氢离子经过离子交换膜(或离子交换膜不存在)传
到阴极。 当把阴极与离子交换膜压合在一起,阳极独立即为 “二合
一“型MFCs;当把阳极,离子交换膜、阴极依次压合在一起即为"三合
体系，如 PbO2、MnOx、TiO2、铁氧化物等，其中，MnO2 和 TiO2 是目前
研究较多的 MFC 阴极催化剂。
过渡金属大环化合物对氧具有电化学还原活性，尤其是过渡金属卟啉和酞
菁化合物。由于大环类化合物的脱金属作用比较强，在中性或者碱性的环境中
燃料电池的分类及应用
燃料电池的分类及应用燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。
燃料电池汽车的工作原理是：使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，产生出电能发动电动机，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前后方向轴、后桥等行走机械结构，转动车轮驱动汽车。
与传统汽车相比，燃料电池车优点突出，主要为零排放或近似零排放，燃料来源广泛，减少了机油泄露带来的水污染，降低了温室气体的排放，提高了燃油经济性，环境适应性强，提高了发动机燃料效率且运行平稳、无噪声，成为近年来研究的热点。
1 燃料电池的由来年英国william robert grove展开水的电解实验，将水水解为氢气和氧气，由此想起其逆反应，并使氢气和氧气反应就有可能产生电。
为证实这一理论，他将两条白金拎分别放进两个密封瓶中，一个瓶中装有氢气，一个瓶中装有氧气，当把这两个密封瓶放进吸收的硫酸溶液中时，电流已经开始在两个电极之间流动，瓶中分解成了水。
为提高电压，他将四组装置串联出来，这就是全世界普遍认为的第一个燃料电池。
2 燃料电池的优缺点燃料电池具备非常独有的优点，主要整体表现在：能量转变效率高，可以轻易将化学能转变为电能;运转稳定、并无噪声;零排放或对数零排放，增加了机油泄漏增添的水污染，减少了温室气体的排放量;提供更多的动力可以随时怠速，可以通过掌控燃料同时实现。
虽然燃料电池有着独特的优势，但其自身也存在一些严重的不足：成本昂贵;燃料的存储困难，一般是使用氢气做燃料，氢气的体积能量密度较低，且具有一定的安全隐患，导致存储异常困难;对工作环境的要求高，对温度、环境的洁净度等也有较高要求。
基于燃料电池以上的特点，燃料电池在新能源客车的批量应用领域除了很长一段路必须跑，只有从技术上化解这些瓶颈问题，燃料电池车就可以以求批量推展。
3 燃料电池的分类燃料电池按电解质类型分成质子互换膜燃料电池、液态氧化物燃料电池、碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。
3.4燃料电池的历史和发展
缺点：贵金属催化剂对CO敏感≤1％，电解质电导率低
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)
工作温度：600~700℃
燃料： CO 或 H2
电池反应: 2CO + O2 = 2CO2 电极反应: 负极：2CO – 4e + 2CO3 = 4CO2 正极：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO3
燃料电池
燃料电池的历史和发展 燃料电池的特点和分类
质子交换膜燃料电池 国内外燃料电池的发展状况
GO！！
• 燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火力 和核能发电之后的第四类发电技术。 • 它是一种不经过燃烧直接以电化学反应 方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电 能的高效发电装置。
燃料电池的历史和发展
1839年英国的Grove发明了燃料电池， 并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢 氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。 由于氢气在自然界不能自由地得到，在随 后的几年中，人们一直试图用煤气作为燃 料，但均未获得成功。1866年， 人们发 现了机-电效应。这一发现启动了发电机 的发展，并使燃料电池技术黯然失色。
+ +
典型的 5KW PEMFC 电池组 结构 PEMFC 试验电厂 PEMFC箱体 （第一代） 200W 电池组（第一代）
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
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质子交换膜燃料电池
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质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质, 无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。 质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移 动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电 源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上 。
燃料电池发展历史
燃料电池是一种通过化学反应将燃料和氧气直接转换成电能的设备。
以下是燃料电池发展的主要里程碑：
1.1800年代：燃料电池的概念首次出现，由英国化学家威廉·罗伯特·格罗夫斯(William
Robert Grove) 提出。
2.1838年：德国科学家克里斯汀·弗里德里希·舍勒(Christian Friedrich Schoenbein) 发
现了葡萄酒中的酸和氢气之间的反应，并实现了最早的可控制的燃料电池。
3.1932年：美国物理学家弗朗西斯·托马斯·埃尔基本发明了固体聚合物电解质燃料电
池（PEMFC）。
4.1959年：埃尔获得了第一台商业化可用的固体聚合物电解质燃料电池专利。
5.1960年代：NASA开始在宇航器上使用燃料电池作为能源供应，从而推动了燃料电池技
术的发展。
6.1990年代：燃料电池技术进入商业化阶段，出现了多种类型的燃料电池，包括固体氧
化物燃料电池（SOFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）和碱性燃料电池（AFC）。
7.2000年代：随着对清洁能源需求的增加，燃料电池应用领域扩展到汽车、船舶、飞机
等交通运输工具，并取得了重要进展。
8.近年来：燃料电池技术不断发展，新型材料和设计的引入使其性能更加稳定和高效。
同
时，水素燃料电池汽车逐渐商业化，并在一些国家得到广泛推广和采用。
目前，燃料电池作为一种清洁、高效、可再生的能源转换技术，持续受到全球关注并被视为未来能源领域的重要发展方向之一。
微生物燃料电池发展历史
微生物燃料电池发展历史微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）是一种利用微生物代谢产生的电能的装置。
它能够将有机废弃物转化为电能，具有环保、可持续等优势。
下面将从微生物燃料电池的发展历史角度来介绍它的发展过程。
一、起源与初期研究（20世纪70年代-90年代）微生物燃料电池的起源可以追溯到20世纪70年代，当时研究人员开始尝试利用微生物的代谢活动来产生电能。
最早的微生物燃料电池是基于微生物产生的氢气来产生电能的。
在20世纪80年代，研究人员开始尝试利用微生物产生的电子来产生电能，这是微生物燃料电池发展的重要里程碑。
然而，初期研究受到技术限制和缺乏理论基础的影响，进展缓慢。
二、技术突破与应用拓展（21世纪初）21世纪初，随着生物技术和材料科学的发展，微生物燃料电池得到了重要的突破和应用拓展。
研究人员开始利用新型材料，如碳纳米管和纳米颗粒，改善电子传导和电极表面积，提高微生物燃料电池的性能。
此外，对微生物燃料电池的理论研究也取得了进展，为其应用提供了更多的理论指导。
在应用方面，微生物燃料电池开始被应用于一些特定领域。
例如，在环境领域，微生物燃料电池可以用于处理废水和废气，将有机废弃物转化为电能，并减少环境污染。
在能源领域，微生物燃料电池被用于生物能源的开发，可以利用微生物代谢产生的电能来驱动电力设备。
此外，微生物燃料电池还被应用于传感器和电子装置等领域，为这些设备提供可持续的电源。
三、新型微生物燃料电池的发展（2000年后）近年来，随着对可再生能源的需求增加以及对环境保护的重视，新型微生物燃料电池得到了更多的关注和研究。
其中，光合微生物燃料电池是近年来发展较快的一种新型微生物燃料电池。
它利用光合微生物（如藻类和光合细菌）的光合作用产生的有机物来产生电能。
这种新型微生物燃料电池不仅具有传统微生物燃料电池的优点，还能够利用太阳能来提供能源，具有更高的能源转化效率和更广泛的应用前景。
燃料电池的发展历程
燃料电池的发展历程燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，它通过化学反应将燃料和氧气直接转化为电能，而不需要通过燃烧产生热能来驱动发电机。
燃料电池的发展可以追溯到19世纪初。
在1801年，英国科学家威廉·尼科尔逊首次提出了燃料电池的概念，并制造了一个利用氢气和氧气来产生电能的实验装置。
虽然当时的燃料电池技术还非常初级，但尼科尔逊的实验为后来燃料电池的研究奠定了基础。
20世纪初，德国科学家卡尔·路德维希·纳尔迈尔发明了一种利用氢气和氧气反应产生电能的装置，并将其称为“氢-氧电池”。
这一发明被认为是现代燃料电池的里程碑式的进展，因为它明确了燃料电池通过电化学反应来产生电能的原理。
在20世纪中叶，燃料电池的研究进入了实际应用阶段。
1955年，英国科学家布斯特·贝克曼首次将燃料电池应用于实际工业生产中，他成功地利用燃料电池将氢气转化为电能，用于驱动传动装置。
这一发明被认为是燃料电池在交通领域的首次成功应用。
1970年代，随着对环境和能源问题的重视，燃料电池的研究和开发进入了一个新的阶段。
美国能源部成立了燃料电池技术中心，投入大量资金和资源用于燃料电池的基础研究和工程应用。
在那个时期，研究人员们不断改进燃料电池的设计和性能，使其更加高效、稳定和可靠。
随着技术的进步，燃料电池的应用范围也不断扩大。
1990年代初，燃料电池开始在太空探索和军事领域得到应用，美国国家航空航天局（NASA）在国际空间站上安装了一台用于供电的燃料电池系统。
随后，燃料电池逐渐进入了交通、家庭、工业和农业等领域。
现在，燃料电池主要用于汽车、无人机、手机、笔记本电脑等移动设备的电源，以及家庭和工业设备的供电。
近年来，燃料电池的研究方向主要集中在提高其能量密度、降低成本、延长使用寿命等方面。
目前，燃料电池的类型主要包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）等。
随着技术的不断进步，燃料电池的性能和可靠性将会不断提高，势必会在未来的能源领域发挥更加重要的作用。
燃料电池的历史_现状和未来
阿波罗飞船电池的单位功率比重量为 40 kg/ kW。
航天飞机用电池的单位功率比重量为 3. 6 kg/ kW。
1981 年 4 月 12 日 ,哥伦比亚号航天飞机首次飞 行 , 经 1983 年 4 月～9 日挑战者号第一次飞行到 1991 年 11 月 24 日发射的阿德兰契斯号航天飞机 , 都用石棉膜碱性燃料电池为搭载电源 ,前后共 50 余 次飞行 ,累积飞行时间超过 27 000 h。
Key words : Fuel cell ; PEMFC ; AFC ; EV ; Electric station
1 燃料电池的历史及现状 1. 1 试验室研究阶段
这个阶段从 1840 年 , W R Grove 发明氢氧气体 电池开始至 1952 年 , F T Bacon 研究成功具有实用 性的培根电池并获得专利止 ,约 100 余年 。
2000 年 12 月
图 1 用 4 个 Grove 燃料电池电解水示意图 Fig 1 Illustration figure of electrolyze water process by 4 Grove fuel cell
(2) 对固体炭燃料电池的探索
以氢为燃料显然太贵了 。固体碳是自然界最普
通的燃料 。因此 , Grove 之后的很长一段时间 (直到
为了适应未来的 1 000 kW 级 , 更长寿命的航天 电源的要求 , 80 年代中期以后对上述电池进行改 进 , 使工作温度提高到 150 ℃, 压力提高到 1. 4MPa , 电流密度提高到 6～7 A/ cm2 , 比质量达到 0. 56 kg/ kW , 若将此技术用於现在的航天飞机 , (83 ℃, 0. 4 MPa) 工作寿命可达 10 000 h。
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燃料电池的历史和发展 燃料电池的特点和分类
质子交换膜燃料电池 国内外燃料电池的发展状况
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• 燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火力 和核能发电之后的第四类发电技术。 • 它是一种不经过燃烧直接以电化学反应 方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电 能的高效发电装置。
燃料电池的历史和发展
按工作温度
•高温型 •中温型 •低温型
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按燃料来源
•直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池 ） •间接式燃料电池（如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气 NEXT 为燃料电池的燃料 ） •再生类型
按电解质类型
磷酸盐型燃料电池（PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） 碱性燃料电池（AFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
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尽管DMPEMFC具有无可比拟的优点，但要达 到实际应用还有大量问题有待进一步解决，目前它 的技术还很不成熟，仅处于研制阶段，性能最好的 也只有0.10W/cm2。而要达到实际应用，必须达到 0.25W/cm2以上，同时使电池满足性能高，寿命长 和价格低三个条件。
目前限制DMPEMFC实际应用的主要问 题是阳极催化剂低的活性、高价格和催化 剂的毒化。因此必须提高阳极催化剂的活 性，降低催化剂的用量，降低或消除催化 剂的毒化。
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典型的 5KW PEMFC 电池组 结构 PEMFC 试验电厂 PEMFC箱体 （第一代） 200W 电池组（第一代）
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
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质子交换膜燃料电池
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质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质, 无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。 质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移 动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电 源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上 。
1839年英国的Grove发明了燃料电池， 并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢 氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。 由于氢气在自然界不能自由地得到，在随 后的几年中，人们一直试图用煤气作为燃 料，但均未获得成功。1866年， 人们发 现了机-电效应。这一发现启动了发电机 的发展，并使燃料电池技术黯然失色。
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优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
固体氧化物燃料电池（SOFC）
电极材料： 正极：多孔Ni
负极：多孔Ni 电解质： ZrO2
工作温度：900~1000℃
燃料： H2 或CO
电池反应: 2H2+O2=2H2O 电极反应: 负极：2H2 + 2O – 4e = 2H2O 正极：O2 + 4e = 2O
磷酸型燃料电池（PAFC）
电极材料： 正极：高分散Pt 负极：高分散Pt 电解质： 浓H3PO4 工作温度：180~210℃
燃料： H2
电池反应: 2H2 + O2 = 2H2O 电极反应： 负极：2H2 - 4e=4H + 正极：O2 + 4H + + 4e = 2H2O 优点：抗CO2，可应用于独立电站
H2-O2质子交换膜燃料电池以H2为燃料，理论电动势为 1.229V,工作电压为0.80V,此电池制作较简单，寿命长，但使用 的贵金属较多，价格高。加上氢的储存和运输的问题， 人们开 始用甲醇，天然气等作为PEMFC的燃料。
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中 国 矿 业 大 学
化 工 学 院
应 化 系
图3感≤1％，电解质电导率低
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)
工作温度：600~700℃
燃料： CO 或 H2
电池反应: 2CO + O2 = 2CO2 电极反应: 负极：2CO – 4e + 2CO3 = 4CO2 正极：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO3
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优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
电极材料： 正极：高分散Pt
负极：高分散Pt ( Ru ) 电解质： 质子交换膜
工作温度：25~125℃
燃料： H2 或甲醇
电池反应: CH3OH+1.5O2= CO2+2H2O 电极反应: 负极： CH3OH+H2O - 6e=CO2+6H 正极： 6H + 6e +1.5O2=3H2O
1889年Mood和Langer首先采用了燃 料电池这一名称，但燃料电池的研究直到 20世纪50年代才有了实质性的进展。
试验电厂中的燃料电池组
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20世纪60年代初由于航天 和国防的需要，才开发了液氢 和液氧的小型燃料电池，应用 于空间飞行和潜水艇。从此， 氢氧燃料电池广泛应用于宇航 领域，同时，兆瓦级的磷酸燃 料电池也研制成功。
(2)电解质：
可以是固体，也可以是水溶液或熔融盐。
(3)燃料：
气体（如H2,CO 和碳氢化合物）。液体 (CH3OH、高价碳氢化合物）也可以是固体 （金属氢化物）
(4)氧化剂： 相对于燃料的选择，氧化剂的选择比较方便，纯氧 气O2 、空气或卤素X2都可以胜任，而空气是最便宜 的氧化剂。
燃料电池的分类
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有机小分子作为 PEMFC燃料有以下优点：
常温常压下为液体，携带和储存都很方便 燃料最终产物是CO2和水，污染极小 来源丰富，价格低廉 无C-C键束缚，电化学活性高 甲醇燃料电池分为外生整式和内重整式两种。前者通过重整器把甲 醇重整为氢，然后在催化剂作用下与氧气反应产生电能。内重整无需重 整器，甲醇在阳极上直接氧化。与外重整型相比，它具有体积小、重量 轻、结构简单、操作容易、可靠性高、维修方便和价格低等优点，故而 最有希望成为小型电站和交通运输工具等动力电源。
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优点：无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，Ni催化剂不怕CO中毒 缺点：电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充CO2，腐蚀
碱性燃料电池（AFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： KOH 或 NaOH
工作温度：室温~100℃
燃料： H2
电池反应: 2H2+O2=2H2O 电极反应: 负极：2H2 + 4OH – 4e = 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e = 4OH
燃料电池与一般电池的本质区别在于其能量供应 的连续性，燃料和氧化剂是从外部不断提供的。它具 有以下优点： 能 量 转 换 效 率 高 污 染 小 、 噪 声 低 高 度 可 靠 性 适 应 能 力 强
操
灵 建
作
活 设 周
简
性 期
单
大 短
比能量或比功率高
3.基本组成
(1)电极：
可以由具有催化活性的材料组成；也 可以只作为电化学反应的载体和反应电流 的传导体。
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国内外燃料电池的发展状况
国外： 国内：
THE END！
空间站电力系统工作原理图
从80年代开始，各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通 等各个领域中得到应用。 近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出， 要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换 效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。
燃料电池的特点
燃料电池发生电化学反应的实质是燃烧反 应。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、 负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作 用或传导电流的作用。所需燃料(氢或通过甲烷、 天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料 或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界 输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转 化为电能的装置。 中间未经燃烧。